粘結(jié)層脫粘失效仿真分析范文
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《電瓷避雷器雜志》2016年第二期
摘要：
采用基于內(nèi)聚力裂縫模型（CCM）的有限元分析方法，模擬支柱式絕緣子的不同結(jié)構(gòu)界面的力學(xué)特性，仿真再現(xiàn)了絕緣子受彎矩外載下界面脫粘失效的過程，并研究了粘結(jié)界面力學(xué)性能對(duì)絕緣子整體承載力的影響。分析表明，粘結(jié)層開裂過程可分為界面承載、界面開裂和裂紋擴(kuò)展3個(gè)階段；水泥粘結(jié)劑與金屬基座的粘結(jié)層開裂時(shí)間早、脫粘速度快是絕緣子結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)；界面剛度、斷裂能、極限強(qiáng)度的增加均能有效提高絕緣子的結(jié)構(gòu)承載力，但隨著承載力增加，破壞模型由界面脫粘變?yōu)樗嗾辰Y(jié)劑受拉破壞。
關(guān)鍵詞：
絕緣子作為一種特殊的絕緣控件，以其體積小、絕緣強(qiáng)度高、耐污性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在架空輸電線路中。然而在其長(zhǎng)期服役過程中不僅承受導(dǎo)線自身的重量、交流運(yùn)行短路時(shí)的電動(dòng)力，還需承受外界強(qiáng)風(fēng)、地震等極端荷載，當(dāng)支柱式絕緣子不能提供足夠機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，將對(duì)整個(gè)輸變電工程的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重后果。目前為止，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在支柱式絕緣子的選料、生產(chǎn)到實(shí)驗(yàn)測(cè)試等各環(huán)節(jié)已經(jīng)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，形成了一整套行業(yè)規(guī)范[1]，但在理論研究方面，對(duì)絕緣子的各種失效形式仍無法給出合理的描述與預(yù)測(cè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，支柱式絕緣子的失效形式以折斷和開裂為主，其中以開裂形式破壞占62.1%，且開裂位置主要位于法蘭與陶柱間的粘結(jié)劑層，粘結(jié)劑作為絕緣子的重要組成部分，其粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、細(xì)微觀損傷破壞機(jī)制都有著顯著的影響。有限元方法作為應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的一種數(shù)值算法，逐步應(yīng)用于絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算[3-5]和電磁仿真[6-7]中，筆者將采用基于最大主應(yīng)力分離理論的內(nèi)聚力單元方法，建立復(fù)合絕緣子的有限元模型，實(shí)現(xiàn)絕緣子粘結(jié)層開裂過程的仿真模擬，并以唐山地區(qū)某設(shè)備廠生產(chǎn)的戶外耐污棒形支柱瓷絕緣子為實(shí)例，分析絕緣子開裂過程的主要影響因素，為絕緣子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
1絕緣子有限元模型建立
以某設(shè)備廠生產(chǎn)的戶外耐污棒形支柱瓷絕緣子為例，以通用有限元軟件Abaqus為平臺(tái)，建立絕緣子界面開裂的有限元模型，模擬試件在彎矩荷載作用下的破壞過程，并利用Python語(yǔ)言對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行二次處理，獲得單元破壞數(shù)目隨加載時(shí)間的變化曲線，更直觀地捕捉破壞瞬間膠結(jié)層內(nèi)外界面的破壞狀態(tài)。
1.1材料模型
1.1.1內(nèi)聚力單元損傷模型應(yīng)用數(shù)值方法研究裂縫擴(kuò)展始于20世紀(jì)60年代[8]，至今已存在大量的數(shù)值方法用于模擬裂縫擴(kuò)展，其中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的就是內(nèi)聚力裂縫模型（CCM），結(jié)合有限元的內(nèi)聚力界面單元（CIE）實(shí)現(xiàn)對(duì)延性和脆性材料的斷裂模擬[9-10]。目前在內(nèi)聚力模型基礎(chǔ)上發(fā)展出多種本構(gòu)關(guān)系，主要包括雙線性、梯形、指數(shù)以及多項(xiàng)式關(guān)系。其中雙線性模型簡(jiǎn)單、直觀，能夠兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率的要求，因此得到廣泛應(yīng)用。筆者采用雙線性模型來模擬內(nèi)聚力單元的損傷演化規(guī)律，以最大名義應(yīng)力準(zhǔn)則判斷單元的初始損傷，隨后通過計(jì)算損傷過程中所消耗的能量來定義損傷值的大小，實(shí)現(xiàn)界面層從彈性承載、初始損傷、損傷累積、脫粘破壞的整個(gè)過程。
1.1.2混凝土塑性損傷模型（CDP）筆者采用CDP模型描述水泥粘結(jié)劑的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，其屈服函數(shù)由Lubliner[11]提出，并由Lee和Fenves[12]進(jìn)行修正，屈服函數(shù)的效應(yīng)力形式。
1.2模型建立及網(wǎng)格劃分選取的支柱瓷絕緣子總高1500mm，陶柱直徑210mm，傘裙直徑360mm，金屬法蘭基座高150mm。由于本文分析絕緣子在彎矩作用下界面層的破壞問題，而整體模型關(guān)于彎矩所在平面對(duì)稱，為減少運(yùn)算時(shí)間，節(jié)約計(jì)算成本，可取絕緣子整體結(jié)構(gòu)模型的1/2進(jìn)行分析計(jì)算，見圖1。模型主要由陶柱、水泥粘結(jié)劑、金屬附件3部分組成。絕緣子模型包含兩個(gè)粘結(jié)界面，分別為水泥粘結(jié)劑與瓷件的粘結(jié)層以及水泥粘結(jié)劑與金屬法蘭基座的粘結(jié)層。模型采用六面體網(wǎng)格劃分，局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，共包含76950個(gè)節(jié)點(diǎn)、66930個(gè)單元。
1.3參數(shù)敏感性試驗(yàn)設(shè)計(jì)筆者側(cè)重研究界面層脫離，因此對(duì)陶柱和法蘭材料進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用彈性本構(gòu)模型；混凝土粘結(jié)層采用CDP模型，其拉壓塑性參數(shù)以及對(duì)應(yīng)的損傷數(shù)據(jù)可根據(jù)規(guī)范[13]計(jì)算獲得，基本材料參數(shù)取值見表1。內(nèi)聚力單元?jiǎng)t采用最大主應(yīng)力損傷準(zhǔn)則，材料模型中涉及的參數(shù)包含：密度、一個(gè)法向分離剛度、兩個(gè)切向分離剛度、最大主應(yīng)力以及3個(gè)方向?qū)?yīng)的極限斷裂能，其中密度和泊松比與粘結(jié)層材料一致，并假設(shè)3個(gè)方向剛度和極限斷裂能相等，分析單元?jiǎng)偠取⒆畲笾鲬?yīng)力、極限斷裂能對(duì)界面破壞極限承載力的影響，通過設(shè)計(jì)參數(shù)敏感性試驗(yàn)，獲得13組參數(shù)組合，見表2。
2仿真結(jié)果分析
對(duì)網(wǎng)格模型定義正確的單元類型，施加合適的邊界條件，并在陶柱頂部截面耦合參考點(diǎn)，施加水平位移荷載，提交計(jì)算可獲得不同參數(shù)組合下絕緣子界面層的破壞過程。圖2為仿真模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得絕緣子破壞情況對(duì)比，均為粘結(jié)層與外部金屬附件間界面脫離而造成的絕緣子失效。
2.1絕緣子破壞過程分析為模擬絕緣子界面斷裂效果，需在絕緣子的不同材料連接位置定義一層零厚度內(nèi)聚力單元。當(dāng)絕緣子頂部施加水平荷載、金屬附件底部固定時(shí)，在膠結(jié)位置產(chǎn)生彎矩作用，絕緣子底部膠結(jié)層前后兩端產(chǎn)生方向相反的縱向作用力，以抵抗彎矩作用，此階段可稱為界面承載階段；隨著外載荷的增加，界面間剪應(yīng)力也逐漸增加，當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到極限剪應(yīng)力時(shí)，界面開始破壞，為臨界承載階段；隨著界面單元的逐漸破壞，部分彈性能釋放，加速界面破壞進(jìn)度，導(dǎo)致界面裂縫擴(kuò)展階段時(shí)間非常短，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。圖3為絕緣子不同承載階段，內(nèi)、外界面單元的破壞情況，當(dāng)處于界面承載階段，內(nèi)外界面單元均未發(fā)生大范圍破壞，且損傷主要位于界面單元邊界，主要由邊緣的界面單元承受剪切應(yīng)力。在界面裂縫擴(kuò)展階段，損傷仍然集中在未破壞界面層邊界位置，同時(shí)內(nèi)、外界面單元的破壞方向相反，其中外層界面單元沿作用力方向開始破壞，導(dǎo)致粘結(jié)層與金屬附件脫離，與圖2中絕緣子破壞模式一致。
2.2界面開裂與結(jié)構(gòu)承載力的關(guān)系運(yùn)用Python語(yǔ)言對(duì)Abaqus計(jì)算結(jié)果進(jìn)行二次開發(fā)處理，獲得內(nèi)、外界面單元失效單元數(shù)目隨加載時(shí)間的歷程曲線，見圖4。當(dāng)外載較小時(shí)，處于界面承載階段，少量單元失效；當(dāng)外載增加到極限承載位置時(shí)，破壞單元數(shù)迅速增加，絕緣子承載力急劇下降而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞。
2.3界面力學(xué)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響本節(jié)主要分析界面單元力學(xué)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響，共設(shè)計(jì)13組參數(shù)組合，其中第一組參數(shù)采用相同的單元?jiǎng)偠取⒉煌臉O限應(yīng)力，應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖5，損傷段的下降斜率相等。圖6為不同組合參數(shù)下絕緣子極限承載力，當(dāng)界面單元極限應(yīng)力小于粘結(jié)層混凝土抗拉強(qiáng)度（8MPa）時(shí)，結(jié)構(gòu)承載力隨極限應(yīng)力增加而線性增加，繼續(xù)增加界面極限應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的增加貢獻(xiàn)變小，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的失效形式轉(zhuǎn)變?yōu)檎辰Y(jié)層混凝土的拉伸破壞。第2組參數(shù)分析相同單元?jiǎng)偠取O限應(yīng)力、不同斷裂能對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響規(guī)律。各組界面單元的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖7，獲得結(jié)構(gòu)承載力曲線見圖8，結(jié)構(gòu)承載力隨斷裂能增加而增加。這是由于斷裂能的增加，極限應(yīng)變相應(yīng)增加，極限增加界面層內(nèi)承受彎矩的邊界剪力層厚度。第3組參數(shù)分析相同斷裂能、不同單元?jiǎng)偠取⒉煌瑯O限應(yīng)力情況對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響規(guī)律。各組界面單元的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖9，斷裂能均取為3.556J/m2，隨單元?jiǎng)偠群蜆O限應(yīng)力增加，極限應(yīng)變減小，而結(jié)構(gòu)承載力逐漸增加，增大趨勢(shì)變小，見圖10。通過3組參數(shù)，分析了界面斷裂能、界面剛度、極限應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響，其中斷裂能表征界面破壞時(shí)吸收能量的情況，為界面應(yīng)力應(yīng)變曲線與橫坐標(biāo)所圍三角形面積；剛度則為界面抵抗滑移錯(cuò)位的能力，剛度越大，相同變形情況下界面應(yīng)力也越大；極限應(yīng)力則代表界面的極限破壞強(qiáng)度，是判斷單元是否發(fā)生損傷的直接指標(biāo)；極限應(yīng)變則判定界面是否完全破壞，也是界面延性的一種表征。由分析可知，提高界面斷裂能、極限應(yīng)力、極限應(yīng)變，均能在一定程度下增加絕緣子的承載能力，而界面剛度的影響相對(duì)較小。為提高絕緣子抵抗界面脫粘失效的能力，可采用強(qiáng)粘結(jié)性、高吸能的延性混凝土作為陶柱與金屬法蘭間的填充材料，通過增加剪切應(yīng)力帶寬度，提高絕緣子的整體承載能力。
3結(jié)論
利用基于內(nèi)聚力模型的界面單元模擬支柱式絕緣子粘結(jié)界面的力學(xué)行為，建立了絕緣子三維有限元模型，再現(xiàn)了絕緣子受載情況下，水泥粘結(jié)界面開裂導(dǎo)致絕緣子結(jié)構(gòu)破壞的完整過程，同時(shí)進(jìn)行了界面力學(xué)參數(shù)的敏感性分析，得出以下結(jié)論：1）絕緣子粘結(jié)界面開裂過程可分為3個(gè)階段：界面承載階段、界面開裂階段和界面裂紋擴(kuò)展階段；2）絕緣子受水平外載時(shí)，內(nèi)、外粘結(jié)層均出現(xiàn)脫粘開裂現(xiàn)象，開裂方向相反，并隨著開裂裂紋的擴(kuò)展演化最終導(dǎo)致絕緣子整體結(jié)構(gòu)破壞失效；3）絕緣子外粘結(jié)層完全脫粘所需時(shí)間較短，粘結(jié)界面開裂速度快，屬于絕緣子整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)優(yōu)化與生產(chǎn)工藝中應(yīng)給予足夠重視；4）通過對(duì)界面力學(xué)參數(shù)的敏感性分析，獲得極限應(yīng)力、斷裂能、極限應(yīng)變、界面剛度的影響規(guī)律，并指出：為提高絕緣子抵抗界面脫粘失效的能力，可采用強(qiáng)粘結(jié)性、高吸能的延性混凝土作為陶柱與金屬法蘭間的填充材料，通過增加剪切應(yīng)力帶寬度，從而提高絕緣子的整體承載能力。
作者：馬艷枝 張艷紅 劉占民 單位：中國(guó)水科院 工程抗震研究中心 唐山歐倫特高壓電瓷有限公司